空间碎片轨道预报中动力学模型基准的选取

在不同的轨道预报场景中,使用的动力学模型也不同.例如,在低轨空间碎片的预报中大气阻力是十分重要的摄动力,而到了中高轨,大气阻力就可以忽略不计.如何为不同轨道类型的空间碎片选择最优(满足精度要求下的最简)动力学模型还没有系统、详尽的研究.将对不同精度需求、不同轨道类型下的大批量轨道进行预报,通过比较不同动力学模型下的预报结果,给出各种预报场景的最优动力学模型建议.可以为不同轨道类型的空间碎片在轨道预报时选择基准动力学模型提供参考或标准.

低轨航天器长期轨道预报的初步研究

低轨航天器的长期管理和维护需要较高精度的长期轨道预报,影响长期预报精度最主要的因素来自低轨航天器所受的大气阻力摄动。借助平均大气密度模型,以340km高度的低轨航天器为例,研究了低轨长期轨道预报问题。利用基于长弧段的逐天精密定轨,可以修正参考点的平均密度。根据目前积累的数据,通过引入太阳自转周期27d和半年180d这2个周期拟合平均密度序列,未来的平均密度可以预报到较高精度。目前的计算结果表明,在此基础上低轨航天器的长期轨道预报精度可以得到保证,在不同算例中表现基本稳定可靠。

空间目标碰撞预警中的一种高效筛选方法

在航天器碰撞预警工作中,为节省计算时间,需要从大量空间目标中筛选出可能的危险目标,计算碰撞概率等参量并进行风险评估.通常采用的筛选方法包括高度筛选、几何筛选和时间筛选三步,不同文献中后两步筛选的算法略有不同,同时各方法均难以实现预报三天的快速碰撞预警.本文通过充分考虑一阶摄动项对目标轨道的影响,改进了时间筛选算法,并在其后增加了距离筛选,将筛除比例从通常的大约99%提高到99.97%,为实现快速碰撞预警工作提供了理论支持.通过对实测数据的计算比较,验证了方法的正确性及高效性.

大面质比空间碎片在太阳光压和引力作用下的轨道演化

分析了较高轨道(a>10000 km)大面质比空间碎片的轨道动力学演化问题.重点讨论了位于地球同步轨道的空间碎片轨道演化问题,并给出轨道偏心率随时间演化的表达式.通过进一步分析得出,倾角大于63°26′的GTO轨道空间碎片,仅在J_2和第三体摄动影响下,会出现轨道偏心率升高;而对于大面质比空间碎片,在J_2项和太阳光压同时作用下,当近地点指向的角变率与太阳平黄经变化率接近时,会出现长期共振现象,导致轨道偏心率升高,近地点降低.分析还得出,轨道演化过程中,偏心率的最大值与初始轨道近地点的指向有关.

18参数广播星历分析研究

针对18参数广播星历模型对混合星座（包含GEO（地球同步轨道）、IGSO（倾斜地球同步轨道）、MEO（中地球轨道））的拟合精度和稳定性问题,利用摄动理论中的分析方法研究18参数广播星历模型新增参数的物理意义,通过数值仿真比较分析18参数模型与16参数模型对混合星座的拟合精度和稳定性。分析研究表明,新增2个参数可以较好地逼近轨道变化的长周期项,相同拟合弧长的拟合精度比16参数提高了50%左右,但受短周期项影响,拟合不够平稳,同时由于轨道变化特征的差异,对GEO和IGSO卫星的拟合不如MEO卫星稳定。数值仿真结果表明,要保证稳定性必须增加拟合弧长,但拟合精度会有一定下降,18参数条件下,MEO卫星选用3h拟合弧长能保持很好的稳定性,GEO和IGSO卫星则需要选择5h拟合弧长。

月球探测中的无动力返回轨道

首先在平面圆型限制性三体问题模型下给出了白道面内4种类型的对称无动力返回轨道,之后针对其中较实用的一种,考虑了其在白道面内的非对称情形,并探讨了其三维情形及近月、近地的轨道倾角限制.最后给出了地-月系真实引力模型下无动力返回轨道的设计方法和相应算例.

WSO／UV（世界空间紫外天文台）的轨道特征与轨道保持

WSO/UV(世界空间紫外天文台)需要发射到日-地(月)系的共线平动点L1附近进行巡天观测,相对日-地(月)要求其几何位置几乎不变,因此有必要阐明共线平动点的动力学特征及其附近的运动状况.本文基于这一点,对限制性三体模型下,日-地(月)系中共线平动点附近扰动运动的稳定性作了理论分析,给出了WSO/UV轨道保持的条件及其在运行阶段的轨控措施.

航天器分裂体或抛射物的轨道形成和演化

由卫星和碎片爆炸或相互间碰撞所产生的分裂体,或由在轨航天器向外抛射所产生的抛射物,对空间环境的影响正日益增大。对它们轨道形成和演化的研究可以为分析空间解体事件提供一种有效方法。本文利用Kep-ler运动积分以及受摄二体问题的分析解,建立了分裂体或抛射物的轨道形成及其演化与分裂或抛射速度之间的关系,从而为理解以各个方向、不同大小的速度分裂或抛射的物体的轨道演化特征提供理论依据。文章最后通过数值验证表明了该方法的有效性。

类星链卫星星座轨道的分析及设计

卫星星座对于通信、导航、对地观测等卫星系统中有比较广泛的应用,可以提供较好的地面覆盖,更好地满足系统的需求.在各类卫星星座中, Walker星座的应用比较广泛.这类星座设计相对简单,地面平均覆盖性能较好,可用于导航卫星、低轨通信卫星的星座设计.虽然Walker星座的地面平均覆盖性能较好,但卫星的星下点轨迹一般并不重合.更重要的是,当多个Walker星座协同工作时,如果要保证星座间整体同步且轨道平面具有相同的进动速率Ω_(1),那么即使稍稍改变其他星座的轨道倾角,轨道半长径α也会出现相当大的变化.据此,美国太空探索(SpaceX)公司在其星链(Starlink)卫星星座中调整了设计思路,以不同星座间具有相同的回归周期(N_(day)天内完成N_(orb)个轨道周期)为依据,实现了多层(shell)运动同步的星座设计,并且在同层星座内所有卫星具有相同的星下点轨迹.根据SpaceX公司公布的专利, Starlink星座第2期3层轨道的星座即采用这种设计方案.SpaceX在其专利文档中公布并主张了上述理念和特性,但没有提供设计思路和技术细节.以此为基础,探讨可能的“类星链”星座设计思路,并在此基础上分析这类星座中星间链路的选择策略及特性.

基于智能优化算法的小天体初轨确定

经典的初轨确定方法包括Laplace方法和Gauss方法以及它们的各种变化形式.除这些经典方法之外,基于当今光学观测数据的特点,学者们也陆续提出了一些其他的初轨确定方法,包括双r(目标距离观测者的距离)方法和可行域方法.双r方法的一种实现方式是通过猜测某两个时刻(通常是定轨弧段的首、末时刻)目标离观测者的距离,结合观测者在空间中的位置矢量,即可求解相应的Lambert弧段作为目标轨道的初始猜测.进一步,以其他观测时刻的RMS(Root Mean Square)为优化变量可以改进初始猜测从而确定初轨.可行域方法则是针对一组初始观测参数(包括赤经、赤纬及其变率),根据一些初始假设将目标(离观测者的)距离及其变率约束在可行域内,并通过三角划分逐步逼近的方式寻找到使观测RMS最小的猜测解.针对一系列模拟观测数据以及实测数据,将智能优化算法(粒子群算法)应用于这两种初轨方法,并将结果与改进的Laplace算法的结果进行比较.由于双r方法不仅可以用于短弧定轨还可用于长弧关联,所以进一步给出了针对长弧段数据的关联结果.

倾角函数展开及其在分析法轨道预报中的应用

田谐项摄动是分析法轨道预报中的重要部分,其中包含大量倾角函数及其偏导数的计算,由于具有精度更高、速度更快的优点,倾角函数一般通过递推方法计算.以文献中提出的改进Gooding方法为基础,将其给出的程序稍加改进,在计算2-50阶倾角函数时缩短了约24%的计算时间.考虑到分析法预报过程中轨道平倾角变化很小,以泰勒展开式计算倾角函数,可极大提高计算速度,较大程度地减小分析法预报耗时,且引力场阶次越高,减小幅度越大,取50阶时预报耗时缩短了48%.另一方面,以2阶展开式计算倾角函数时,与改进Gooding法相比,分析法预报星历偏差很小.对于500km高度的低轨卫星,分别以改进Gooding法和2阶泰勒展开式计算倾角函数,预报3天,当地球引力场阶次不高于50时,二者预报星历偏差RMS(RootMeanSquare)低于1mm,且随着轨道高度的增加,预报星历偏差RMS逐渐减小.

卫星干扰源定位系统中星历校正技术

卫星干扰源定位系统,是通过测量两颗相邻同步卫星对干扰辐射源形成的时差观测量和频差观测量来实施未知干扰源定位,在此过程中,两颗相邻同步卫星的星历误差是影响定位精度的主要因素,因此,星历校正技术是整个系统一个关键环节。针对星历校正技术中的卫星动力学模型选取、状态转移矩阵的计算和简化等几个关键问题作了详细深入的论述,给出了具有典型意义的力模型选取标准和状态转移矩阵的计算方法,设计了一种基于短弧轨道改进原理的星历校正算法,通过仿真数据和实测数据处理证实,定位误差可从千千米量级校正至十千米量级,验证了该算法的可行性和定位精度。

卫星轨道预报的一种分析方法

人造地球卫星的轨道预报是空间环境监测和实时跟踪测量中一个重要环节,由于监测对象众多,要求精度也不太高,通常采用分析法预报.在已有分析法得到t时刻平均根数的基础上给出一种轨道预报方法,由t时刻的平均根数给出该时刻卫星的位置和速度,在此基础上将地球非球形引力摄动的周期项直接用卫星直角坐标的位置和速度分量表示,这样可以避免在计算轨道根数变化的周期项时出现的奇点问题,从而对根数的选择无特殊要求,可适用于各种轨道,简化预报程序和相应的软件,提高预报效率.

月球物理天平动对环月轨道器运动的影响

月球物理天平动是月球赤道在空间真实的摆动,会导致月球引力场在空间坐标系中的变化,从而引起环月轨道器(以下称为月球卫星)的轨道变化,这与地球的岁差章动现象对地球卫星轨道的影响类似.采用类似对地球岁差章动的处理方法,讨论月球物理天平动对月球卫星轨道的影响,给出相应的引力位的变化及卫星轨道的摄动解,清楚地表明了月球卫星轨道的变化规律,并和数值解进行了比对,从定性和定量方面作一讨论.

卫星定轨综述

对卫星定轨中的热点问题作一综述,内容包括短弧定轨和长弧精密定轨.对于短弧定轨(通常指初轨),不仅从原理上分析其关键之处,还介绍如何将适用于无摄运动的特殊定轨方法推广用于同时考虑各种摄动的受摄运动,并可同时适用于圆锥曲线的各种情况:变化的椭圆轨道、抛物线轨道和双曲线轨道,后者在深空探测器的运动过程中将会遇到.对于长弧精密定轨,阐述当今提高精密定轨精度的力模型补偿问题以及几何定轨的提法,天地基网联合定轨和星-星相对测量的自主定轨问题.

月球探测器过渡轨道的短弧定轨方法

论述的短弧定轨,是指在无先验信息情况下又避开多变元迭代的初轨计算方法,它需要相应的动力学问题有一能反映短弧内达到一定精度的近似分析解．探测器进入月球引力作用范围后接近月球时可以处理成相对月球的受摄二体问题,而在地球附近,则可处理成相对地球的受摄二体问题,但在整个过渡段的力模型只能处理成一个受摄的限制性三体问题．而限制性三体问题无分析解,即使在月球引力作用范围外,对于大推力脉冲式的过渡方式,相对地球的变化椭圆轨道的偏心率很大(超过Laplace极限),在考虑月球引力摄动时亦无法构造摄动分析解．就此问题,考虑在地球非球形引力(只包含J2项)和月球引力共同作用下,构造了探测器飞抵月球过渡轨道段的时间幂级数解,在此基础上给出一种受摄二体问题意义下的初轨计算方法,经数值验证,定轨方法有效,可供地面测控系统参考．

定点在日-地(月)系L1点附近的探测器的发射及维持

在限制性三体问题中共线平动点附近的运动虽然是不稳定的,但可以是有条件稳定的,该动力学特征使得一些有特殊目的的探测器只需消耗较少的能量即可定点在这些点附近(如ISEE-3、SOHO).以日-地(月)系的L1点为例,根据其附近的运动特征,探讨定点探测器的发射与轨道控制问题,给出了相应的数值模拟结果,为工程上的实现提供理论依据.

近地卫星运动的坐标系附加摄动在拟平均根数法中的处理

在常用的历元地心天球坐标系中研究和处理近地卫星的轨道问题,就必须考虑由于地球赤道面摆动所引起的坐标系附加摄动,正因为如此,给实际工作带来一些麻烦.关于这一问题,曾提出了一种针对瞬根数和平根数之间的转换(仅与坐标系附加摄动的短周期项有关)的解决途径,但并未涉及采用分析法进行轨道外推的有关问题(这与坐标系附加摄动的长期和长周期项有关),这对处理近地卫星的轨道问题而言显然是不完整的.这里结合拟平均根数法进一步改进原提出的方法,较完善地解决这一坐标系附加摄动的计算问题.在此前提下,对于卫星定轨和预报及其相关工作,无论是采用数值法还是分析法,均可采用同一坐标系,即历元(目前是J2000.0)地心天球坐标系.

地-月系平动点轨道的特征及其相关问题

当探测器定点在地-月系共线平动点L_1、L_2附近的halo轨道或Lissajous轨道时,由于其固有的动力学特征,通常是被人们置于地-月系质心旋转坐标系中展现其几何特征.其实,它们同样是环绕地球运行的Kepler轨道,这类探测器实为地球的远地卫星.但由于其自身所具有的不稳定性特征,在轨道外推中,初值误差的传播程度远比一般的环绕型探测器轨道外推显著.这在轨道设计、运行控制和地面测控等领域都是需要重视的问题.尽管如此,除在构造这类轨道变化的受摄分析解时遇到困难外,对其定轨等问题,与一般远地卫星类似,并无其他特殊要求.将具体给出该类轨道由于不稳定特性引起误差快速传播的定量状态和相应的理论分析,以及实际应用中的短弧定轨和相应的高精度轨道预报方法,并附有实测资料进行定轨结果的检验.

利用太阳帆定点探测器在地—月系共线平动点附近的探讨

共线平动点附近的运动仅仅是条件稳定的,探测器的轨道需要经过控制才能维持在其附近。以地—月系L1点和L2点附近大振幅晕轨道的控制为例,探讨了太阳帆在定点这类探测器中的应用。首先,考虑了月球轨道的偏心率和太阳辐射的影响,给出了太阳帆对日定向的探测器轨道的低阶分析解,并在此基础上构造了在太阳系真实引力模型下一段时间内维持在共线平动点附近的拟周期轨道。然后,给出了两种利用太阳帆的控制方案,一是固定面质比而改变太阳帆法线的方向,另一是固定太阳帆对日定向而改变面质比,并对两种方案分别作了数值模拟。最后,文章探讨了测控误差及地、月影对轨道控制的影响。